上海交通大学ITEWA创新团队2021年研究成果回顾

【团队简介】

ITEWA (Innovative Team for Energy, Water & Air) 创新团队是由上海交通大学王如竹教授于2018年创建并领导的前沿科学问题研究团队，聚焦于能源转换与效率、水及空气处理等领域的前沿基础科学技术问题。通过学科交叉实现材料、器件和系统层面的整体解决方案，从而推动相关技术领域取得突破性进展。2018年成立以来至2020年底先后在Joule、Energy & Environmental Science、Advanced Materials等国际著名期刊上发表12篇高水平论文。团队的主要成员有李廷贤研究员、葛天舒教授、徐震原副教授、朱炫灿助理教授以及一批博士后和博士生。

2021年，ITEWA创新研究团队又相继在Joule、Energy & Environmental Science、ACS Energy Letters、Matter、Advanced Functional Materials、Nano Energy、Energy Storage Materials、Cell Reports Physical Science、Water Research等期刊上发表17篇跨学科交叉论文。2021年主要研究成果如下：

Nano Energy: MOFs材料在热能转换及水处理中的机遇与挑战

简介：目前，吸附能源转换与利用技术在空调、热泵、储能、水收集等热点领域的关注迅速提升，特别是在吸附式能量转换、吸附式空气取水和吸附式海水淡化与冷却领域的研究，契合节能减排和碳中和总体目标。这些技术的关键在于吸附剂的特性。近年来，具有特大比表面积和孔隙率、独特吸附性能的金属有机框架MOFs在吸附领域的应用越来越广泛，这也使得材料学科的吸附剂材料设计与工程热物理学科的应用之间的联系变得愈加紧密。但目前，MOFs的设计仍然未从实际应用角度出发，工程热物理学科的学者通常只能筛选大量的吸附材料进行应用，不得不“削足适履”。本文针对吸附剂MOF材料在能源转换及水处理中存在的难题，进行了细致梳理，定义了不同应用场景下理想吸附剂的特征，分析了当前吸附剂存在的弊端，提供了识别潜在吸附剂实际应用价值的理论模型。该综述研究有望提高材料科学与热学科间的共识，为MOFs材料用于吸附学科提供基本指导框架。

Larisa G. Gordeeva^‡, Yaodong Tu^‡,*, Quanwen Pan, M.L. Palash, Bidyut B. Saha*, Yuri I. Aristov* and Ruzhu Wang*, Metal-organic frameworks for energy conversion and water harvesting: a bridge between thermal engineering and material science, Nano Energy (2021), 84,105946.

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https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.105946

Nano Energy: 空气取水技术的能耗分析及适用边界比较

简介：能源与水是21世纪的重要议题，发展高效节能的取水技术至关重要。在众多取水方法中，空气取水技术因其不依赖于水源、适应性广和轻便洁净等特性而引起了国内外学者的普遍关注。冷凝式和吸附式空气取水所采用的冷热源温度不同，为了评估和比较两个系统的能耗，论文引入“热力学火用”的概念，综合考虑热源或冷源的品位及换热量，计算构造上述冷热源所需的最小能耗（即“火用”），分别计算了不同气候条件、工质和运行参数下冷凝式和吸附式空气取水技术的能耗，对比得到吸附式技术的节能优势与适用范围，同时也指出不同运行条件下，吸附式空气取水技术的材料优选、系统与参数优化准则，为该技术的进一步发展提出切实有效的方案。

Lingji Hua, Jiaxing Xu, Ruzhu Wang*. Exergy-efficient boundary and design guidelines for atmospheric water harvesters with nano-porous sorbents. Nano Energy (2021), 85, 105977.

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https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.105977

Water Research: 小型分布式膜蒸馏海水淡化系统的发展现状及未来研究方向展望

简介：目前广泛采用的规模化海水淡化技术（“热法”的多效蒸馏、多级闪蒸，“膜法”的反渗透等）很难应用于小型分布式装置。因此，针对偏远沿海地区和孤立海岛上分散人口的饮水问题，新兴的膜蒸馏（Membrane Distillation, MD）技术逐渐成为了一个研究热点。膜蒸馏较低的工作温度（一般30 ~ 90 °C）、紧凑的组件结构、对盐度的低敏感性等特点，使其在低品位太阳能驱动的小型装置上具有广阔的应用前景。本文首先回顾了在较小太阳能集热面积下（大约5 m²以内）的太阳能膜蒸馏研究现状，然后进一步从增强太阳能的收集利用“开源”和减小膜蒸馏过程的能耗“节流”两个角度综合分析了最新的研究成果, 提出了从“开源”和“节流”两方面综合提升其海水淡化性能的未来研究框架。

Qiuming Ma, Zhenyuan Xu, Ruzhu Wang*. Distributed solar desalination by membrane distillation: current status and future perspectives. Water Research (2021), 198, 117154.

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https://doi.org/10.1016/j.watres.2021.117154

ACS Energy Letters: 从空气中取能的超高能量密度吸附热池

简介：储能技术是实现可再生能源规模化高效可靠利用的关键支撑技术，热化学储能技术因具有高能量密度的优势，近年来得到了广泛关注，该储热技术通过反应盐的解吸/分解-吸附/合成过程实现热能的存储与释放。本文提出了从空气中取能实现超高能量密度储热的吸附热池，采用“水热合成-溶液浸渍法”制备了石墨烯气凝胶复合吸附材料，利用石墨烯气凝胶的高孔隙率特性和三维多孔骨架结构提高了反应盐的吸附-解吸传质性能，实现了反应盐固-气化学吸附、固-液潮解和溶液吸收的多步耦合，具有盐负载量高（96 wt%）、吸附量大（2.89 g g^-1）、吸附速率快和稳定性好的优势。在此基础上采用模块化石墨烯气凝胶复合吸附剂，构建了从空气中取能的吸附热池，通过耦合储热过程的热能梯级利用与放热过程的热能提质利用，实现了吸附热池向外界的连续供热，储热能量密度高达1580 Wh kg^-1、功率密度达815 W kg^-1，该工作为低碳高效、高能量密度、高功率密度的热能收集、储存和利用提供了新思路。

Taisen Yan‡, Tingxian Li‡,*, Jiaxing Xu, Jingwei Chao, Ruzhu Wang*, Yuri I. Aristov, Larisa G. Gordeeva, Pradip Dutta and S. Srinivasa Murthy. Ultrahigh-energy-density sorption thermal battery enabled by graphene aerogel-based composite sorbents for thermal energy harvesting from air. ACS Energy Letters (2021), 6, 1795–1802.

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https://doi.org/10.1021/acsenergylett.1c00284

Joule: 吸附空气取水技术展望

简介：水资源短缺和人口增加的矛盾日益严峻，发展高效节能、实用安全的取水技术势在必行。在众多的节水取水方法中，吸附式空气取水技术因其不依赖于水源、可利用低品位能源、轻便洁净等优点，引起了国内外学术界的广泛关注。一系列适用于不同应用场景的新型吸附剂材料应运而生。然而，吸附剂材料的良好性能，只能决定取水的适用场景，并不能保证取水系统的实际效果，系统部件的传热传质性能与材料特性同等重要。而目前关于吸附式空气取水的研究着重关注吸附剂材料的吸附、解吸性能，忽略了材料成本、环保安全以及系统性能、结构设计等方面的影响。基于上述问题，文章立足吸附式空气取水系统，全面介绍了该系统领域的吸附剂材料、取水系统、取水应用、驱动能源和环境影响等发展现状，解释了其从材料到装置的完整结构和工作流程，指出系统吸附、解吸、冷凝、收集各部件的特性和功能，并从传热传质、吸附剂选型、冷源和冷凝设置等角度出发，找出影响实际取水效果的关键因素，提出对于生活、工业、农业用水等不同应用场景下提高吸附式空气取水性能的可行方案。

Mojtaba Ejeian, Ruzhu Wang*. Adsorption-based atmospheric water harvesting, Joule (2021), 5, 1678–1703.

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https://doi.org/10.1016/ j.joule.2021.04.005

Cell Reports Physical Science: 胺嫁接层状双金属氢氧化物用于直接空气捕集二氧化碳

简介：基于吸附法的直接空气捕集（DAC）正在成为一种技术可行的负排放技术。DAC能够捕集分布式碳排放源，不受捕集设施的位置限制。目前DAC技术已经达到7级（示范级）技术成熟度。制造具有高CO₂吸附量、快速吸附动力学和良好的吸附-解吸稳定性的廉价吸附剂对于DAC工艺的大规模部署至关重要。本文报道了一类胺功能化、有机溶剂处理的Mg_xAl-CO₃层状双金属氢氧化物（LDH）纳米片并用于快速捕集空气中的CO₂。直链型三元胺嫁接于高度分散的LDH纳米片产生的吸附剂在25 °C和400 ppm的CO₂浓度下具有1.05 mmol/g的高吸附量，比胺功能化SBA-15高出30%。更重要的是，在30分钟内其CO₂吸附量即可达到最大容量的70%，而聚胺浸渍材料需要两倍的时间。这些吸附剂可以在80 °C条件进行再生并恢复其最大CO₂吸附量的80%。高度分散的LDH纳米片提供了优异的热、水热和化学稳定性：在50个吸附-解吸循环后吸附性能衰减几乎可以忽略。考虑到潜在的成本效益和可规模化生产的工艺，单分子层胺功能化有机溶剂处理的LDH衍生纳米片在基于快速变温吸附的DAC循环中极具应用潜力。

Xuancan Zhu, Meng Lyu, Tianshu Ge*, Fan Yang, Dermot O’Hare, Ruzhu Wang*. Modified layered double hydroxides for efficient and reversible carbon dioxide capture from air. Cell Reports Physical Science (2021), 2, 100484.

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https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2021.100484

Nano Energy: 基于垂直阵列网状石墨纳米骨架的高导热/导电的功能型相变储热复合材料实现高温太阳能光/电-热转换、收集及存储

简介：论文提出了基于垂直阵列网状石墨纳米骨架的高导热/导电的功能型相变储热复合材料的制备方法和太阳能光/电-热转换、收集及存储的一体化相变储能装置的协同强化热设计新思路。通过压力诱导的自组装方法，构建了具有垂直阵列石墨纳米片骨架的高导热/导电的功能型相变储热复合材料，在石墨纳米片含量25 wt%时，复合材料的热导率和电导率分别高达33.5 W/mK和323 S/cm；在此基础上进一步提出了能量收集与能量传输的协同增强策略，通过强化相变材料的光/电-热能量转换、收集、传输与存储性能，首次实现了太阳能自然光照条件下的太阳能“光-热转换-传输-存储”的直接式一体化高温储能（>186 ^oC），以及超低电压(<0.34 V)驱动的高效电-热转换与存储（>92%）。

Tingxian Li^‡,*, Minqiang Wu^‡, Si Wu, Shizhao Xiang, Jiaxing Xu, Jingwei Chao, Taisen Yan, Tao Deng*, Ruzhu Wang*. Highly conductive phase change composites enabled by vertically-aligned reticulated graphite nanoplatelets for high-temperature solar photo/ electro-thermal energy conversion, harvesting and storage. Nano Energy (2021), 89, 106338.

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https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106338

Energy Storage Materials: 定形相变储热复合材料的制备、热性能提升、能量存储及热管理综述

简介：相变材料（PCM）通过自身相态转变过程中潜热的吸收和释放进行热能存储与供能，具有储热密度高、材料范围广、工作温度稳定等特点。然而，以固-液相变为代表的传统PCM存在热导率低、易泄露、相分离和过冷度大等问题，严重制约了相变材料在可再生能源储能、建筑节能、电子器件热管理等方面的发展与应用，近年来国内外学者在相变储热材料的制备、热物性、热性能及应用方面开展了广泛深入的探索。本文立足PCM的研究现状和关键问题，重点介绍了定形相变储热复合材料PCC的制备方法、热性能提升、能量转化存储及热管理应用：（1）PCC制备方面，总结归纳了物理混合法、微胶囊封装法、化学聚合法等制备方法的特点和优缺点；（2）PCC热性能提升方面，分析对比了金属基、碳基和陶瓷基导热型相变储热复合材料的热性能提升；（3）PCC应用方面，重点介绍了 PCC在太阳能光-热转换存储、光控热能存储与释放、电-热转换存储、磁-热转换存储、电池热管理、电子器件热管理、建筑能量调节、织物温度调控等方面的应用；在上述基础上对高性能PCC存在的挑战和机遇进行了分析和展望，以期实现高能量密度、高功率密度、安全高效的低成本能量存储与热管理。

Minqiang Wu, Si Wu, Yifan Cai, Ruzhu Wang, T.X. Li^∗. Form-stable phase change composites: Preparation, performance, and applications for thermal energy conversion, storage and management, Energy Storage Materials (2021), 42, 380-417.

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https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.07.019

Cell Reports Physical Science: 介孔MOF吸湿调控新策略助力干旱地区空气取水

简介：近年来，基于吸附/脱附/冷凝过程的吸附式空气取水因其可实现露点以上水分捕集，有效利用低品位热能驱动再生过程等特点被认为是解决干旱地区水资源短缺的有效技术手段。本文提出在吸附侧构建冷源从而改变孔道内及其附近的湿度环境，使得即使在外界干旱低湿的情况下，材料也可实现水分捕集，靠后的阶跃点迁移至更靠前的位置，将高吸湿性的介孔MOF在干旱工况吸湿的不可能性转变为可能性。论文通过材料筛选、合成表征、验证实验、部件性能和装置测试等不同尺度，探究了该思路在干旱地区实现“空气取水”的可行性，在典型干旱状态下（25°C 30%RH），吸湿量可突破1.05g/g，显著优于现有聚焦于干旱地区取水的单一吸附剂。这种通过外部冷源构建来调控吸湿阶跃区间的策略，没有改变材料本身具有的任何特性，既维持了其特有的S型吸附曲线，又可在低湿、高湿环境中使用，成为兼具高吸湿量与灵活时空适应性的优选之策，有望推动空气取水技术的落地实施与商业化应用。

Yaohui Feng^‡, Tianshu Ge^‡,*, Bin Chen, Guowu Zhan, Ruzhu Wang*. A regulation strategy of sorbent stepwise position for boosting atmospheric water harvesting in arid area. Cell Reports Physical Science (2021), 2, 100561.

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https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2021.100561

Cell Reports Physical Science: 基于太阳能的零能耗建筑被动式昼夜供暖吸附热池展望

简介：随着全球经济发展的总体向好和人类生活水平的不断提高，在未来的几十年里全球建筑能源需求预计还将继续增长。因此，降低建筑采暖碳排放已成为当今能源、环境、建筑领域的热门研究方向。储热技术（又称热池）通过能量转化和存储，可实现对热能供需的精准调控和匹配。简单而言，是一种即需即用的“充热宝”。研究者们将特朗伯墙与储热技术相结合，一方面可削减太阳能本身所具有的波动性和间歇性所带来的供热不稳定性，另一方面能克服热能供需侧之间存在的时间、空间、强度和品位不匹配的矛盾。本文首先从材料、器件、系统三个层面对吸附储热技术进行了阶段性总结，提出了吸附储热技术在建筑采暖应用中的发展潜力及面临的问题和挑战。受太阳能驱动的特朗伯墙烟囱效应的启发，作者提出了一种从空气中取能实现超高能量密度的被动式太阳能吸附热池概念，旨在利用热能驱动的烟囱效应来减少储热系统介质输送的能耗，同时具备温湿度双控调节的功能。基于此概念，作者设计了一种新型的被动式太阳能供热系统，具有昼夜连续运行、近零能耗、热舒适可控的特点。

Ziya Zeng, Bingchen Zhao, Ruzhu Wang*. Passive day and night heating for zero energy buildings with solar-based adsorption thermal battery. Cell Reports Physical Science (2021), 2, 100578.

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https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2021.1005782

Energy & Environmental Science: 基于垂直阵列吸附材料和快速连续循环吸附装置的超高性能太阳能驱动空气取水

简介：吸附式空气取水技术是近年来兴起的在低湿度环境中获取饮用水的新颖技术，对于干旱地区、离网地区和紧急条件下获取饮用水具有重要的研究意义和应用价值。为了解决吸附式空气取水技术产水量低下的瓶颈难题，上海交通大学ITEWA团队通过从吸附材料开发与合成、材料与器件传热传质强化、空气取水装置循环工作策略设计等多个角度对空气取水进行了全面的创新与性能提升。采用一维冷冻成型与盐负载方法，设计制备了具有垂直阵列结构、高吸附性能、良好稳定性的石墨烯水凝胶复合吸附剂(LiCl@rGO-SA)，可实现低湿度下的超高吸水量，在15%和30%相对湿度下吸附量可分别高达1.01 g_water/g_sorbent和1.52 g_water/g_sorbent，展现了极强的低湿度下工作潜力。同时，垂直阵列的孔结构降低了水分子的传输阻力，使得LiCl@rGO-SA具有优异的吸附-脱附动力学。通过对空气取水器内部传热传质的协同强化，设计并搭建了一种全新的半主动式快速循环连续空气取水器，在自然太阳能光照条件下展现了高达2010 mL_water/kg_sorbent/day的超高空气取水能力。该工作为实现紧凑、便携、规模化的高效空气取水器提供了新思路。

Jiaxing Xu^‡, Tingxian Li^‡,* Taisen Yan^‡, Si Wu, Minqiang Wu, Jingwei Chao, Xiangyan Huo, Pengfei Wang, and Ruzhu Wang*. Ultrahigh solar-driven atmospheric water production enabled by scalable rapid-cycling water harvester with vertically aligned nanocomposite sorbent. Energy & Environmental Science (2021), 14, 5979-5994.

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https://doi.org/10.1039/D1EE01723C

Advanced Functional Materials: 高吸水铝基MOF涂层在铝基体上的无粘结剂原位生长

简介：在金属基底上涂覆金属-有机骨架（MOF）是MOF应用的一个重要研究方向。然而，现有的基于粘合剂的涂覆方法需要多次重复操作，并且会不可避免地堵塞MOF的孔隙，导致吸附能力降低。因此，上海交通大学ITEWA团队提出了一种无粘结剂在金属结构上合成MOF涂层的方法。通过铝基MOF（MIL-96和MIL-100）的原位合成，铝基底溶解产生的铝离子和配体在铝基底上原位生成了良好共生的多晶Al-MOF层。同时系统地描述了自生长MOF涂层的形态和化学成分，并提出了一种pH控制策略来调节不同MOF晶型的相对比例。所合成的MOF涂层显示出192.5 g/m²的超高吸水能力，这是所有报告的干燥剂涂层金属结构中最高的，并且具有优异的循环稳定性。此外，对该结构用于固体除湿热泵系统的性能进行了模拟，结果表明其运行周期比使用粘合剂基硅胶涂层的系统长80%，平均除湿能力可达到8.36g/kg干空气。该工作合成的无粘结剂、低成本、高性能的MOF涂层在基于吸附的能源相关应用中具有广阔的前景。

Tianyu Yang, Lurong Ge, Tianshu Ge*, Guowu Zhan, and Ruzhu Wang*. Binder-Free Growth of Aluminum-Based Metal–Organic Frameworks on Aluminum Substrate for Enhanced Water Adsorption Capacity. Advanced Functional Materials (2021), 2105267.

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https://doi.org/10.1002/adfm.202105267

Nano Energy: 一种用于空气取水的超吸湿材料的仿生拓扑设计

简介：水资源短缺和人口增加的矛盾日益严峻，发展高效节能、实用安全的取水技术势在必行。吸附式空气取水技术因其不依赖于水源、可利用低品位能源、轻便洁净等优点，引起了国内外学术界的广泛关注。一系列适用于不同应用场景的新型吸附剂材料应运而生。MOF、COF、水凝胶等新型吸附剂具有良好的吸附性能，但由于其高成本、高污染、高能耗和复杂的制备工艺等，空气取水的实际应用受到了限制。因此，在该领域，亟待开发出一种兼顾性能、成本、可持续发展的新型吸附剂材料，以解决空气取水的实用瓶颈。文章开发一种满足上述多重优势的吸附剂材料，并通过实验室测试和户外取水实验，验证该吸附剂优越的吸附-解吸性能和整体系统的取水潜力。在RH20-80%的宽工况范围内，该吸附剂可实现0.5-2.5 g g^-1的稳定吸湿量；同时在1 kW m^-2的太阳强度下可实现1.5 kg m^-2 h^-1的高解吸速率。通过与已有文献对比，文章对该吸附剂进行技术经济性分析，凸显该材料在性能、成本、节能等多方面的综合优势，为空气取水技术的实际应用提供了可能，可为欠发达的干旱地区提供便宜易得的洁净饮用水。

Fangfang Deng, Chenxi Wang, Chengjie Xiang, Ruzhu Wang*. Bioinspired topological design of super hygroscopic complex for cost-effective atmospheric water harvesting. Nano Energy (2021), 90, 106642.

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106642

Matter: 展望新型光化学相变材料实现非常规热能存储与热品位调控

简介：传统材料的固液相变温度近似恒定，适合用于热能存储；而气液相变行为则表现为多相变特性，可通过改变饱和蒸气压力改变相变温度，实际应用中表现为对热能品位的调控，即蒸气压缩式热泵或空调的热力学原理，然而气液相变由于体积变化大而一般不适合用于热能存储。以如何打破传统材料相变特性的热力学限制，使其可同时用于热能存储与热能品位调控，则是一项极具挑战性的课题。通过深入调研分析，本文提出了利用特定材料的双固液相变特性和可切换相变行为解决传统固液相变所面临的瓶颈难题。经过深入分析将该现象归结为可切换的双固液相变特性，驱动能量为光能（通常为紫外光），即光致分子异构前后材料的两种聚集态展示出不同的固液相变行为。从热力学基本原理出发，采用温焓图清晰地描述了这种特性。结合传统固液相变储热面临的瓶颈难题，提出了利用光切换相变材料实现复合储热与热能品位升级、长周期储热等非常规应用的技术路径、关键挑战和未来发展方向。在此基础上，探讨了基于光化学-光热协同转换的太阳能分光谱高效利用以制取太阳能燃料的潜在应用和未来研究方向。

Si Wu, Tingxian Li*, Zhao-Yang Zhang, Tao Li, and Ruzhu Wang*. Photoswitchable phase change materials for unconventional thermal energy storage and upgrade. Matter (2021), 4, 3385–3399.

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.09.017

Cell Reports Physical Science: 超高含盐量多孔膜封装复合吸附剂方法用于空气取水

简介：利用吸附材料的高亲水性，吸附式空气取水被认为是提供可用水资源的一种可行方法。吸湿性盐（如氯化锂LiCl）在宽湿度范围内具有优异的水蒸气吸附能力，在吸附空气取水应用中表现出巨大的潜力，但吸湿盐的水蒸气吸附、吸收过程伴随着溶液体积膨胀，因而难以控制。因此，如何防止盐溶液泄露，提高含盐吸附剂的含盐量，增强吸附性能成为研究的关键问题之一。论文提出一种透湿、防水、多孔膜封装含盐复合吸附剂的方法，可完全解决盐复合吸附剂在长时间吸附过程或高环境湿度下盐溶液泄露的风险，将复合吸附剂的含盐量提高至80 wt %。该吸附剂可充分利用高浓度盐溶液的吸附能力，使复合材料适用于各种湿度下的吸附工况，水蒸气吸附性能最高达到3.75 g_水/g_吸附剂（潮湿工况90%RH）、2.83 g_水/g_吸附剂（半干旱工况70%RH）与1.47 g_水/g_吸附剂（干旱工况30% RH），超过绝大多数含盐吸附剂的吸附量。该方法制作过程简便、成本低廉、可拓展性强，适用于任何含盐复合吸附剂，防止可能出现的盐溶液泄露、腐蚀、水质下降问题，有望使用于未来中大型、连续型空气取水系统以及吸附发汗散热等领域。

He Shan, Quanwen Pan, Chengjie Xiang, Primoz Poredos, Qiuming Ma, Zhanyu Ye, Guodong Hou, and Ruzhu Wang*. High-yield solar-driven atmospheric water harvesting with ultra-high salt content composites encapsulated in porous membrane. Cell Reports Physical Science (2021), 100664.

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2021.100664

Energy & Environmental Science: 全被动高效率的局部加热型太阳能海水淡化及其挑战

简介：太阳能海水淡化是利用可再生能源解决淡水短缺的重要途径。近年来，采用局部加热设计的被动型太阳能海水淡化展示了高效淡水获取的巨大潜力，对于解决缺乏水电基建区域的淡水短缺特别有效（左图），然而实验创新与实际应用之间还有很大的差别，因此分析被动式太阳能海水淡化的定位以及挑战是非常重要的。为了实现该技术的实际应用，产水率与稳定性是最关键的两个因素，高产水率可以保障低产水成本，而稳定性则保障技术的长期工作并降低全生命周期的成本。为了实现高产水率，在局部加热以外首先要考虑冷凝及蒸汽输运的影响（右上图），同时冷凝热再利用也是至关重要的；为了实现高稳定性，在依靠毛细力实现盐水被动输运的同时，还需要提升其抗结盐能力（右下图），而目前这方面的研究是较为滞后的。最终，为了实现产水成本的降低，将需要在降低系统成本、提升产水率与提升长效性上综合提升，才能实现该技术的真正应用。

Lenan Zhang, Zhenyuan Xu, Lin Zhao, Bikram Bhatia, Yang Zhong, Shuai Gong and Evelyn N. Wang*. Passive, high-efficiency thermally-localized solar desalination. Energy & Environmental Science (2021) 14, 1771-1793.

论文链接：

https://doi.org/10.1039/D0EE03991H

Small: 基于双网络封装的高导热/导电防泄漏相变储热复合材料用于高效储能与热管理

简介：相变材料（PCMs）通过其相态转变过程中吸收与释放潜热进行热能存储与利用，具有储热密度高、工作温度稳定等特点，是解决热能供需不匹配和实现高效储能和热管理的极具前景的技术。但由于缺乏有效的材料结构设计，多孔材料和PCM之间的高热阻使得即便在添加高含量导热材料时，高性能相变复合材料（PCC）的导热性能提升仍然十分有限。此外，传统PCC成本高、产量低和制备工艺复杂等问题也阻碍了其进一步的应用。因此，开发具有高导热特性、优异热稳定性和良好机械性能的低成本PCC依旧充满挑战。本文提出了基于3D聚氨酯网络和石墨纳米片骨架双重封装的高导热、高导电、防泄漏相变储热复合材料的制备方法和全年侯电池热管理策略。通过原位聚合及压力诱导自组装方法，构建了具有杂化三维网络和层状石墨纳米阵列的高导热/导电的定型相变储热复合材料，在石墨纳米片含量30 wt%时，相变复合材料的热导率和电导率分别高达27 W/mK和51 S/cm。同时，相变储热复合材料的高导热与高导电协同效应使其能够实现高效电-热转化与存储（92.1%）。基于以上结果，相变储热复合材料作为热管理器件成功应用于动力电池的全年侯热管理中，实现冬季寒冷环境下的电池主动预热和夏季高温环境下的被动式相变冷却，克服了传统相变储热复合材料用于热管理时只能实现冷却的局限。

Minqiang Wu, Tingxian Li*, Pengfei Wang, Si Wu, Ruzhu Wang, Jie Lin. Dual-encapsulated highly conductive and liquid-free phase change composites enabled by polyurethane/graphite nanoplatelets hybrid networks for efficient energy storage and thermal management. Small (2021), 2105647.

论文链接：

https://doi.org/10.1002/smll.202105647

ITEWA能源-水-空气创新团队实验室位于上海交通大学闵行校区中意绿色能源实验楼内，该绿色能源实验楼是教育部太阳能发电及制冷工程研究中心的创新研究基地， 也是LEED金牌论证的绿色建筑。